Углеводы

Пищевые продукты, получаемые с использованием брожения (по регионам)

• По всему миру: дрожжевой хлеб, спирт, вино, уксус, сыр, йогурт, пиво, сидр
• Азия
  • Индия: achar, gundruk, индийские пикули, идли
  • Юго-Восточная Азия: asinan, bai-ming, belacan, burong mangga, dalok, jeruk, кимчхи, рыбный соус, leppet-so, miang, мисо, nata de coco, naw-mai-dong, pak-siam-dong, paw-tsaynob в снегу (雪裡蕻), саке, seokbakji, соевый соус, сычуаньская капуста (四川泡菜), tai-tan tsoi, такуан, tsa tzai, цукэмоно, yen tsai (醃菜), пахучий соевый творог, некоторые виды чая
  • Центральная Азия: кумыс (кобылье молоко), кефир, шубат (верблюжье молоко), айран
• Африка: семена гибискуса, острый перцовый соус, lamoun makbouss, mauoloh, msir, mslalla, oilseed, огили, огири, гарри
• Америка: сыр, маринованные овощи, квашеная капуста, семена люпина, семена масличных культур, шоколад, ваниль, табаско, квашеная рыба, рыбьи головы, морж, тюлений жир, птица (в эскимосской кухне)
• Ближний Восток: мацони, kushuk, маринованные лимоны, айран, mekhalel, тан, торси, tursu
• Европа: сыр, квашеная капуста, кисломолочные продукты, такие как творог, кефир и простокваша, айран, мацони, квашеная рыба, сюрстрёмминг
• Россия: простокваша, сметана, квас, квашеная капуста, мочёные яблоки, мочёные сливы, мочёные груши, мочёные арбузы, мочёный виноград, бочковые солёные огурцы, солёные томаты, солёные грибы, брага
• Регионы Арктической зоны: копальхен

Виды брожения

Чаще всего в промышленных масштабах используются спиртовой, молочнокислый и маслянокислый виды. Биохимией рассматриваются также пропионовокислое, лимоннокислое, ацетоно-бутиловое и другие разновидности. Понять, какое брожение будет идти в том или ином случае, можно по виду используемых микроорганизмов.

Так, спиртовое брожение возбуждают пекарские дрожжи (Saccharomyces cerevisiae), бактерии рода эрвиний (Erwinia amylovora) и сарцин (Sarcina ventriculi). Маслянокислое осуществляется облигатно-анаэробными бактериями рода Clostridium. Возбудителями брожения по молочнокислому направлению являются бактерии Streptococcus cremoris, кокки (род Lactococcus) и палочки (род Lactobacillus).

Основной продукт брожения

Простые углеводы (фруктоза и глюкоза) легче всего подвергаются процессу ферментации. Как уже было сказано ранее, спиртовое брожение вызывают дрожжи. По виду их распределяют на культурные и дикие продукты.

Культивированные дрожжи делятся на формы низового и верхового брожения. Эти группы различаются своей ферментацией и температурным режимом, при котором наступает процесс брожения. Низовые дрожжи характеризуются образованием осадка, и бродят они при температуре не выше 10 °C.

Верховая группа хорошо развивается при температуре в 30 °C и собирается в основном в пене продукта. За счет их активности реакция спиртового брожения происходит быстрее, и они перерабатывают больше сахара, что увеличивает процент крепости спиртового продукта.

Применение культурных дрожжей конечным продуктам придает приятный аромат и вкус.

Дикие дрожжи обладают довольно небольшой способностью к брожению. При их ферментации образуется менее 10% спирта. Они вырабатывают вещества, которые портят вкус и запах конечного продукта. При размножении данные дрожжи не позволяют вырабатываться полезным веществам в процессе брожения нужной микрофлоры.

Какая нужна вода для спиртового брожения?

Для производства спиртосодержащих напитков обязательно используют воду. К ней предъявляются высокие требования. Идеальная вода — бесцветна, прозрачна. Она не должна иметь запаха и привкуса. Чтобы сбраживание дрожжей получилось качественным, предпочтение отдают воде с небольшим содержанием солей кальция и магния. Считается, что лучше всего использовать жидкость из артезианских скважин.

Для изготовления спиртовых продуктов используется сырая вода. Она содержит необходимые молекулы воздуха, которые необходимы дрожжам. Очистка воды для брожения происходит с помощью фильтрации.

Побочные продукты брожения

Во время протекания процесса брожения в первичном спиртосодержащем сырье в малых количествах начинает образовываться побочное сырье распада молекул: глицерин, кислота уксусная и альдегид, спиртовые продукты распада (бутиловый, амиловый, изобутиловый и другие высшие спирты). Их выработка происходит при разложении аминокислот. В производстве побочные продукты брожения называют «сивушными маслами».

Конечное сырье многих вторичных продуктов — это ацетальдегид. В большой дозе он прерывает брожение. Поэтому дрожжи с помощью химических процессов превращают его в этанол и вторичное сырье ферментации. Побочный продукт – неотъемлемая часть спиртового брожения. Вторичные вещества участвуют в клеточном обмене веществ дрожжей.

Спиртовое брожение

Однако не только бактерии являются фабриками по разложению глюкозы на составляющие с образованием новых органических соединений. Человеку давно известен способ получения этанола с помощью одноклеточных грибов – дрожжей. Осуществляющие спиртовое брожение дрожжи выделены в отдельную внетаксономическую группу, причем границы этой группы еще не до конца определены.

По генетическому анализу спиртовые дрожжи имеют общие родственные связи с аксомицетами (несовершенными грибами). Одни из самых известных несовершенных грибов – трюфели.

Процесс спиртового брожения по способу мало чем отличается от других видов преобразования глюкозы. Спиртовые дрожжи в отсутствии кислорода переключаются на анаэробное дыхание (если кислород есть, спиртовые дрожжи дышат только им). Этот эффект спиртовых дрожжей исследовал и описал Луи Пастер. Теперь он так и называется: эффект Пастера.

Кроме того, если во время брожения в субстрат добавлять некоторые химические вещества, то меняется состав продуктов брожения. Так, например, можно получить глицерин.

Но не только дрожжи могут сбраживать глюкозу с образованием этанола, есть один род бактерий – Sarcina. Эти микроорганизмы осуществляют сбраживание по тому же пути, что и дрожжи. Кроме процессов, в которых спирт является основным продуктом, есть еще процесс, где этанол – побочный продукт брожения. Эти процессы протекают в организмах клостридий и энтеробактерий.

Основные типы брожения

• Спиртовое брожение(осуществляется дрожжами и некоторыми видами бактерий), в ходе него пируват расщепляется на этанол и диоксид углерода. Из одной молекулы глюкозы в результате получается две молекулы спирта (этанола) и две молекулы углекислого газа. Этот вид брожения очень важен в производстве хлеба, пивоварении, виноделии и винокурении. Если в закваске высока концентрация пектина, может также производиться небольшое количество метанола. Обычно используется только один из продуктов; в производстве хлеба алкоголь улетучивается при выпечке, а в производстве алкоголя диоксид углерода обычно уходит в атмосферу, хотя в последнее время его стараются утилизировать.
• Молочнокислое брожение, в ходе которого пируват восстанавливается до молочной кислоты, осуществляют молочнокислые бактерии и другие организмы. При сбраживании молока молочнокислые бактерии преобразуют лактозу в молочную кислоту, превращая молоко в кисломолочные продукты (йогурт, простокваша и др.); молочная кислота придаёт этим продуктам кисловатый вкус.

Молочнокислое брожение может происходить также в мышцах животных, когда потребность в энергии выше, чем обеспечиваемая уже имеющимся АТФ и работой цикла Кребса. При достижении концентрации лактата больше 2 ммоль/л начинает работать интенсивнее цикл Кребса и возобновляет работу цикл Кори.

Обжигающие ощущения в мышцах во время тяжёлых физических упражнений соотносятся с недостаточной работой цикла Кори и повышением концентрации молочной кислоты выше 4ммоль/л, поскольку кислород преобразуется в диоксид углерода аэробным гликолизом быстрее, чем организм восполняет запас кислорода; в то же время нужно помнить, что болезненность в мышцах после физических упражнений может быть вызвана не только высоким уровнем молочной кислоты, но и микротравмами мышечных волокон. Организм переходит к этому менее эффективному, но более скоростному методу производства АТФ в условиях повышенных нагрузок, когда цикл Кребса не успевает обеспечивать мышцы АТФ. Затем печень избавляется от излишнего лактата, преобразуя его по циклу Кори в глюкозу для возврата мышцам для повторного использования или преобразования в гликоген печени и наращивания собственных энергетических запасов.

Считается, что анаэробный гликолиз был первым источником энергии для общих предков всех живых организмов до того, как концентрация кислорода в атмосфере стала достаточно высокой, и поэтому эта форма генерации энергии в клетках — более древняя. За очень редкими исключениями она существует и у всех ныне живущих клеток.

• Уксуснокислое брожение осуществляют многие бактерии. Уксус (уксусная кислота) — прямой результат бактериальной ферментации. При мариновании продуктов уксусная кислота предохраняет пищу от болезнетворных и вызывающих гниение бактерий.
• Маслянокислое брожение приводит к образованию масляной кислоты; его возбудителями являются некоторые анаэробные бактерии рода Клостридиум.
• Щелочное (метановое) брожение — способ анаэробного дыхания определённых групп бактерий — используют для очистки сточных вод пищевой и целлюлозно-бумажной промышленности, для сбраживания избыточного активного ила.

1.1. Предмет и задачи микробиологии. Основные свойства микроорганизмов

Микробиология
(греч. «микрос» — малый, «биос» — жизнь,
«логос» — учение) – наука, изучающая мир
мельчайших живых существ – микроорганизмов.

Микробиология
изучает морфологию микроорганизмов,
закономерности их развития и процессы,
которые они вызывают в среде обитания,
а также их роль в природе и хозяйственной
деятельности человека.

К миру микроорганизмов
относятся бактерии, дрожжи, микроскопические
(плесневые) грибы, а также вирусы и фаги.
Микроорганизмы обитают во всех
климатических зонах, находятся на всех
предметах и продуктах, живут в организме
человека. Они разлагают остатки отмерших
животных и растительных тканей, выполняя
роль санитаров планеты, с их
жизнедеятельностью связаны образование
полезных ископаемых, плодородие почвы,
самоочищение водоемов и т.д.

Общими свойствами
микроорганизмов являются:

• Малые
  размеры (от
  долей микрометра до нескольких
  микрометров, а отдельные структуры
  клеток измеряются даже в нанометрах);

• Большое
  отношение поверхности обмена к объему.
  С этим связан
  очень быстрый обмен веществами между
  окружающей средой и клеткой. Скорость
  обменных процессов у микроорганизмов
  в десятки и сотни тысяч раз выше, чем у
  макроорганизмов;

• Широкое
  распространение в природе. Малые
  размеры микроорганизмов имеют значение
  для экологии. Микроорганизмы могут
  распространяться с воздушными потоками
  и существуют повсюду;

• Пластичность
  обмена – высокая
  способность к адаптации. Микроорганизмы
  под действием среды обитания способны
  вырабатывать индуцибельные ферменты
  и поэтому осуществлять разнообразные
  биохимические реакции;

• Изменчивость.
  Под действием факторов внешней среды
  микроорганизмы могут изменять свои
  свойства.

Задачи микробиологии
пищевых производств:

1. Знание
   свойств микроорганизмов позволяет
   своевременно принимать меры, направленные
   на предотвращение
   развития микроорганизмов
   при транспортировании и хранении
   продуктов. К наиболее распространенным
   методам консервирования относится
   охлаждение, замораживание, пастеризация,
   стерилизация, обработка антисептиками,
   высушивание.

2. Знание
   особенностей роста и развития
   микроорганизмов позволяет интенсифицировать
   технологические процессы,
   основанные на жизнедеятельности
   полезной микрофлоры.

3. Одной
   из важнейших задач микробиологии
   является создание
   технологических процессов, которые
   либо совсем не дают отходов (безотходной
   технологии),
   либо в основе которых лежат замкнутые
   циклы, когда все отходы полностью
   перерабатываются или используются на
   последующих стадиях производства.
   Таким образом, с помощью микробиологии
   можно успешно решать вопросы, связанные
   с охраной окружающей среды.

История возникновения и использования брожения

Первые упоминания о том, что процесс брожения использовался людьми с целью получения определенной продукции, появились еще 5000 году до нашей эры. Именно тогда вавилоняне использовали этот способ для получения таких продуктов, как:

• вино;
• простокваша и другие молочные изделия.

Позже подобное продовольствие стали получать и в Египте, Китае, Судане, Мексике и прочих древних государствах. Стали выпекать дрожжевой хлеб, сбраживать овощные культуры, появились первые попытки консервирования.

Процесс молочнокислого брожения применялся людьми тысячелетиями

Сыры, кефиры, йогурты были важной частью трапезы во все времена. О пользе этих продуктов знали все лекари и врачеватели

Однако причины, по которым возможно превращение подобного рода, долгое время оставались неизвестными.

То, что условия брожения требуют присутствия микроорганизмов, люди даже предположить не могли. В середине XVII века Ван Гельмонт предложит ввести термин «брожение» для тех процессов приготовления пищи, которые сопровождаются выделением газа. Ведь в переводе данное слово означает «кипящий». Однако лишь в XIX веке, то есть почти двести лет спустя, французский микробиолог, химик и физик Луи Пастер открыл миру существование микробов, бактерий.

С тех пор стало известно о том, что разное брожение требует присутствия разного рода невидимых глазу микроорганизмов. Их изучение дало возможность со временем управлять брожением и направлять его в нужную человеку сторону.

Брожение сахаров для получения сусла

Невозможно без процесса брожения получить начальное сусло для производства спирта и использовать его в производстве вина. Дрожжи — возбудители ферментации. Они перерабатывают глюкозу, которая содержится в плодах винограда. Для брожения используются дрожжи рода сахаромицет. Также могут применяться природные дрожжи, находящиеся на виноградной кожице.

Для получения качественного винного сусла процесс брожения должен протекать при определенном режиме температур. При температурной норме реакция брожения глюкозы будет осуществляться на правильном уровне. Оптимальная температура для производства красного вина — это 27—30 градусов C. Для выработки белого вина допускается не слишком высокая температура.

Изготовление сусла для красных вин осуществляется с помощью брожения и мацерации. Поскольку жидкость из красных сортов винограда бесцветна, сусло настаивают на его кожице. Она содержит окрашивающие вещества (антоцианы), которые необходимы для производства красных вин.

Спиртовое брожение и мацерация осуществляются одновременно. Но процесс ферментации длится не больше двух недель, а мацерация может продолжаться до месяца. В большей степени это зависит от сорта виноградных плодов. После окончания всех процессов винное сусло также проходит очистку и переливку. Сам метаморфизм спиртового брожения винного сусла будет окончен, когда переработается весь сахар.

Химический процесс брожения

Для дрожжей спиртовое брожение происходит в два этапа:

• Окислительная стадия заключается в превращении сахара до пировиноградной кислоты. При этом происходит образование двух молекул НАД (фермент, существующий в живых клетках), и это является промежуточным атомом водорода.
• Восстановительная стадия состоит в передаче молекулы водорода конечному атому. Конечный акцептор превращается в основной продукт брожения.

В дрожжах содержится специальный фермент, который при помощи химических реакций образует уксусный альдегид. Он вступает в связь с углекислым газом и при помощи дегидрогеназы превращается в этанол. Процесс брожения завершает реакция восстановления уксусного альдегида.

Биохимия

Брожение — это процесс, важный в анаэробных условиях, в отсутствие окислительного фосфорилирования. В ходе брожения, как и в ходе гликолиза, образуется АТФ. Во время брожения пируват преобразуется в различные вещества.

Хотя на последнем этапе брожения (превращения пирувата в конечные продукты брожения) не освобождается энергия, он крайне важен для анаэробной клетки, поскольку на этом этапе регенерируется никотинамидадениндинуклеотид (NAD+), который требуется для гликолиза

Это важно для нормальной жизнедеятельности клетки, поскольку гликолиз для многих организмов — единственный источник АТФ в анаэробных условиях.. В ходе брожения происходит частичное окисление субстратов, при котором водород переносится на NAD+ (никотинамидадениндинуклеотид)

В ходе других этапов брожения его промежуточные продукты служат акцепторами водорода, входящего в состав NADH; в ходе регенерации NAD+ они восстанавливаются, а продукты восстановления выводятся из клетки.

В ходе брожения происходит частичное окисление субстратов, при котором водород переносится на NAD+ (никотинамидадениндинуклеотид). В ходе других этапов брожения его промежуточные продукты служат акцепторами водорода, входящего в состав NADH; в ходе регенерации NAD+ они восстанавливаются, а продукты восстановления выводятся из клетки.

Конечные продукты брожения содержат химическую энергию (они не полностью окислены), но считаются отходами, поскольку не могут быть подвергнуты дальнейшему метаболизму в отсутствие кислорода (или других высокоокисленных акцепторов электронов) и часто выводятся из клетки. Следствием этого является тот факт, что получение АТФ брожением менее эффективно, чем путём окислительного фосфорилирования, когда пируват полностью окисляется до диоксида углерода. В ходе разных типов брожения на одну молекулу глюкозы получается от двух до четырёх молекул АТФ (ср. около 36 молекул путём аэробного дыхания).

Использование человеком

Основная польза от брожения — это превращение, например, сока в вино, зерна и других исходных продуктов в пиво, а углеводов в диоксид углерода при приготовлении хлебного теста. Широко используется человеком также молочнокислое брожение для приготовления кисломолочных продуктов, квашения овощей и приготовления силоса.

Поскольку фрукты сбраживаются в своем натуральном состоянии, брожение как процесс изменения пищевых продуктов появилось раньше человеческой истории. Однако люди с некоторых пор научились контролировать процесс брожения. Есть веские доказательства того, что люди сбраживали напитки в Вавилоне около 5000 г. до н. э., в Древнем Египте около 3000 г. до н. э., в доиспанской Мексике около 2000 г. до н. э. и в Судане около 1500 г. до н. э. Также существуют данные о дрожжевом хлебе в Древнем Египте около 1500 г. до н. э. и сбраживании молока в Вавилоне около 3000 г. до н. э. Китайцы, вероятно, первыми стали сбраживать овощи.

По Штейнкраузу (Steinkraus; 1995), брожение пищи выполняет пять главных задач:

1. Обогащение видов пищи разнообразием вкусов, ароматов и текстуры
2. Сохранение существенного количества пищи с помощью молочной кислоты, алкоголя, уксусной кислоты и щелочного брожения
3. Биологическое обогащение пищи протеинами, важными аминокислотами, важными жирными кислотами и витаминами
4. Детоксификация в процессе брожения пищи
5. Уменьшение времени и затрат на приготовление пищи

У брожения есть несколько преимуществ, важных для приготовления или сохранения пищи. В процессе брожения можно получать важные питательные вещества или устранять непитательные. С помощью брожения пищу можно дольше сохранять, поскольку брожение может создать условия, неподходящие для нежелательных микроорганизмов. Например, при квашении кислота, получаемая из доминирующей бактерии, препятствует росту всех других микроорганизмов.

Циклический метод брожения

Циклический (полунепрерывный) метод брожения разработан В.Л. Яровенко с сотрудниками. При циклическом методе брожения бродильные чаны (не менее шести) соединяют переточными трубами в батарею (рисунок 2). Процесс брожения проводят в две стадии. Вначале заполняют батарею и бражка находится в движении, а затем она дображивает в состоянии покоя. Батарею заполняют суслом отдельными циклами: от первого головного чана к предпоследнему в одном цикле; от последнего чана батареи ко второму в следующем цикле. Осахаренную массу подводят к первому и последнему чанам батареи. При брожении в первый чан батареи вводят дрожжи, объем которых составляет 20-25% к емкости чана, и одновременно подают осахаренную массу. Заполнив значительную часть объема первого бродильного чана, бродящая масса по переточным трубам переливается во второй чан, из него в третий и т.д. Через 20-24 ч в первый головной чан снова спус­кают дрожжи в количестве 20-25% емкости чана. Перед началом заполнения предпоследнего чана в головной чан вновь (третий раз) вносят дрожжи. После заполнения предпоследнего чана прекращают приток осахаренного сусла в головной (первый) чан и переводят приток в последний чан, который становится головным. Одновременно с притоком сусла в головной чан подают дрожжи. За время заполнения последнего чана суслом бражка в последнем чане окончательно дображивает и ее направляют на перегонку.

Освободившийся чан моют, дезинфицируют, пропаривают и заполняют бражкой из головного чана. Во втором цикле заполнение чанов бродящей массой производят от последнего чана ко второму. Бражку подают на перегонку последовательно от последнего (по потоку) чана к первому. Следовательно, загрузка батареи идет от головного чана к хвостовому, а выгрузка зрелой бражки в обратном направлении – от хвостового чана к головному. Каждый новый цикл брожения начинается с изменения потока бродящей жидкости; при этом последний чан становится первым. Время пребывания бражки при циклическом методе во всех чанах различно. Так, в батарее из восьми чанов оно составляет в первом чане 101, во втором 84, в седьмом 13 ч. Головной чан первым заполняют и последним освобождают. Весь процесс брожения длится 60-62 ч.

Размножение дрожжей в начале производства и при переработке дефектного сырья производят периодическим способом в двух дрожжанках и возбраживателе. Емкость возбраживателя должна составлять 40% от емкости головного чана, а емкость дрожжанок 20-30% емкости возбраживателя. В дрожжанках дрожжи размножают на осахаренной массе, пастеризованной при 75°С и подкисленной серной кислотой до кислотности 0,7-1,0°. По достижении отброда 5-6° (по сахарометру) размножившиеся дрожжи передают в возбраживатель, в который одновременно с дрожжами поступает осахаренная масса. После заполнения возбраживателя его содержимое подкисляют серной кислотой до 0,4-0,5° и оставляют дрожжи на размножение. При отброде 5-6° дрожжи передают в первый или второй головной чан.

При переработке нормального сырья применяют в качестве дрожжей отъем бродящей массы в количестве 20-25% от емкости бродильного чана. Для этого отбирают отъем бражки из первого по потоку бродильного чана при концентрации 8-10° (по сахарометру) в возбраживатель, подкисляют серной кислотой до 0,7-0,9°, охлаждают до 21 -23°С и оставляют для размножения дрожжей на 6-8 ч. После этого отъем вводят в первый бродильный чан, а освободившийся возбраживатель промывают, пропаривают и вновь заполняют бродящей массой.

Циклический метод брожения позволяет увеличить производительность бродильного отделения примерно на 25% при той же емкости чанов, что и при периодическом брожении.

1 – возбраживатель; 2 – бродильные чаны; 3 – насос; 4 – спиртоловушкаРисунок 1 – Схема циклического метода брожения

Улавливание спирта

С углекислым газом из бродильных чанов уносятся и пары спирта. Для улавливания спирта применяют специальные устройства – спиртоловушки.

1 – корпус; 2 – сливные стаканы; 3 – колпак; 4 – штуцера.Рисунок 4 – Спиртоловушка колпачкового типа

Спиртоловушки по конструкции бывают колпачковые, аналогичные тарелкам перегонного аппарата, пленочно-конденсационного типа, а также с наполнителем. Колпачковая спиртоловушка (рисунок 4) представляет собой колонну из четырех-пяти тарелок брагоперегонного аппарата. Воду в ловушку подводят сверху на верхнюю тарелку так, чтобы конец штуцера подвода воды находился ниже уровня воды. Ловушка с наполнителем (рисунок 5) проще первой по конструкции. В ее колонне смонтированы перфорированные перегородки, между которыми помещен наполнитель (кокс или кольца рашига). Подвод воды в нее производится сверху через гидрозатвор, а слив – снизу.

1 – корпус, 2 – перегородки; 3 – штуцер ввода газов; 4 – штуцер ввода воды; 5 – гидрозатвор; 6 – штуцер отвода СО2; 7 – наполнитель (кольца или кокс).Рисунок 5 – Спиртоловушка с наполнителем

Так как в каждом бродильном чане брожение идет самостоятельно и интенсивность выделения углекислого газа различна, то на каждой газовой трубе, отводящей газ из чана, установлена задвижка и обратный клапан. Клапан предотвращает попадание газа из магистрали в чаны при их отключении и при давлении в них ниже давления в магистрали. Вода поступает в ловушку сверху, а углекислый газ, в котором содержатся спиртовые пары, – снизу. В противотоке спирт улавливается водой, углекислый газ поступает в углекислотный цех или в атмосферу. Водно-спиртовую жидкость выпускают из ловушки снизу через гидрозатвор. Гидрозатвор предохраняет выход газа с водно-спиртовой жидкостью.